趕緊收藏！數控機床幹切削的條件！

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數控機床幹切削的條件

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隨著“21世紀綠色製造工程”的提出和實施，高速乾式切削加工技術日益成為人們關注的焦點和熱點。

在切削過程中使用切削液，雖優點眾多，但一方面造成了資源和能源的巨大浪費（據德國公司的統計資料，切削液使用費用佔總製造成本的16%，而切削刀具費用僅佔總製造成本的3%～4%）。另一方面，切削液會對環境產生較嚴重的汙染，甚至會危害工人健康。

隨著全球環境保護意識的不斷增強和環境保護立法的日益嚴格，對環境無汙染的“綠色製造”被認為是可持續發展的現代製造業模式。為使金屬切削加工儘可能達到綠色製造的要求，可減少環境汙染、節省資源和能源的高速乾式切削技術越來越多地受到人們的關注。

所謂高速乾式切削加工，是指在高速機械加工中，為保護環境、降低成本而有意識地減少或完全停止使用切削液。

一、高速切削加工的優越性

1、隨著切削速度的提高，單位時間內的材料切除率（切削速度、進給量和切削深度的乘積，v×f×ap）增加，切削加工時間減少，從而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。

2、在高速切削加工範圍內，切削力隨著切削速度的提高而減小，根據切削速度的提高幅度，切削力平均可減少30%以上，有利於對剛性較差的零件和薄壁零件的切削加工。

3、高速切削加工時，切屑以很高的速度排出，可帶走大量切削熱。切削速度愈高，帶走的熱量愈多（約90%以上），傳給工件的熱量大幅度減少，有利於減小加工零件的內應力和熱變形，提高加工精度。

4、從動力學的角度，在高速切削加工過程中，切削力隨切削速度的提高而降低，而切削力正是切削過程中產生振動的主要激勵源。轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

5、高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼鐵件，如採用高速切削加工淬硬後的模具，可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質量的要求。

二、實現高速乾式切削加工的關鍵技術

在高速乾式切削加工中，由於切削過程缺少切削液的潤滑、冷卻、排屑等作用，相應地會出現以下問題：

1、由於缺少切削液的潤滑作用，高速乾式切削加工中的切削力會大大增加，刀具與工件之間的振動會加劇，從而導致工件加工表面質量變差，刀具磨損加快，刀具使用壽命縮短。

2、由於缺少切削液的冷卻作用，高速乾式切削加工會在加工瞬間產生大量熱量，這些熱量主要集中在切屑中，會影響切屑的成型，過熱的高溫環境會導致形成帶狀和纏結狀切屑並纏繞在刀具上，影響後續切削，加劇刀具磨損。如不及時將熱量從機床的主體結構中排出，同樣會使機床產生嚴重的熱變形，影響加工精度和降低工件表面質量。

3、在高速乾式切削加工某些材料（如石墨電極等）時，會產生大量粉塵，如不能及時清除，會嚴重損害操作工人的身體健康，同時細微顆粒也會侵入絲槓、軸承等機床關鍵部件，加大機床的磨損，影響機床的加工精度和穩定性。

4、由於高速乾式切削加工與高速溼式切削加工的切削過程有所不同，為使機床能夠穩定地完成切削過程，需要對原來高速溼式切削加工選用的切削引數作相應修改和調整，才能應用於高速乾式切削加工。

為了解決以上問題，使高速乾式切削加工在規定時間內達到與高速溼式切削加工相當（甚至更高）的加工質量和刀具耐用度，就必須對包括機床、刀具、工件以及切削引數在內的整個工藝系統進行全面的考慮權衡，並採取相應的工藝措施，以彌補高速乾式切削加工的不足。

三、高速乾式切削加工機床技術

由於高速乾式切削加工機床不再使用切削液，必然導致其整體結構及佈局的變化，主要體現在對機床的隔熱效能、排屑速度、洗塵效果和機床基礎構件的三剛度（靜剛度、動剛度和熱剛度）等方面提出了更高要求。

1、選用三剛度高的高速機床

由於高速乾式切削加工過程中會產生更大的切削力和更多的切削熱，從而導致刀具與工件之間的振動以及機床的熱變形明顯增大，因此選用的機床基礎構件（如立柱、床身、工作臺等）的三剛度要大，如採用人造花崗岩等新材料整體制造床身，不僅三剛度好，而且減振效果明顯。此外，將被認為是“21世紀的新式數控機床”、“機床結構的重大技術革命”的虛擬軸機床與高速乾式切削加工技術結合起來，將會獲得更好的效果。

2、採用快速排屑佈局

應用高速乾式切削加工的要點之一是要在切屑中的大部分熱量傳入機床之前迅速將其排出。為此，可採取以下排屑方法：

①為了便於排屑，高速乾式切削加工機床應儘可能採用立式主軸和傾斜式床身，工作臺四周應採用傾斜的隔板，這樣有助於熱切屑迅速墜入排屑槽中。

②藉助重力排屑。以鑽削加工為例，可改變機床常規佈局，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鑽削，在重力作用下，切屑可從孔中順利排出，而無須使用帶壓力的切削液來輔助排屑。

③利用虹吸現象排屑。在鑽削加工中，可利用乾燥的空氣透過虹吸作用吸出孔中的切屑，而無須使用切削液。

④利用真空或噴氣系統改善排屑條件。如日本某公司開發的“潔淨回收系統”，採用將刀具部分罩住的結構，利用從內部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具迴轉方向經螺旋管道排出。

3、採用熱穩定性好的結構和適當的隔熱措施

機床床身採用熱穩定性好的結構和材料，可將切削熱的影響降到最低程度。如採用均衡溫度的結構，將床身的左右兩側、頂部和底部設計成四個相通的型腔並注入油液，即可保證整個床身具有相同的溫度。此外，機床立柱與底座等基礎構件採用對稱結構並選用熱容量小的材料，主軸採用恆溫水冷裝置等，都能提高機床的熱穩定性。

採取適當的隔熱措施，如排屑槽用絕熱材料製造，高速切削區採用絕熱罩來隔斷熱切屑，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機床的熱量。

四、高速乾式切削加工刀具技術

1、開發適合高速乾式切削加工的刀具材料

為了加速排屑和散熱，延長刀具的使用壽命，高速乾式切削加工的切削速度一般要高於普通高速加工。因此，高速乾式切削加工刀具材料應具有很高的紅硬性和熱韌性。目前，適用於乾式切削的刀具材料主要有超細顆粒硬質合金、聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、SiC晶須增韌陶瓷和奈米晶粒陶瓷材料等。

細化後的超細顆粒硬質合金具有很好的硬度、耐磨性、韌性和耐熱性。

2、研究開發適合高速乾式切削加工的刀具塗層

對刀具表面進行塗層處理可減小刀具與工件表面之間的摩擦，減小切削力，降低對切削液潤滑作用的依賴。

目前，用於高速乾式切削刀具的塗層技術主要有兩類，一種是“硬”塗層，如TiN、TiC、Al2O3等。此類塗層刀具表面硬度高、耐磨性好。另一種是“軟”塗層，如MoS2塗層、WS2塗層等。此類塗層刀具的優點是表面摩擦係數很低（約0。01），切削時可減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，故又稱為自潤滑刀具。

3、最佳化刀具幾何形狀

針對高速乾式切削加工的特點，需要對高速乾式切削加工刀具的幾何形狀和結構進行最佳化：

①減少加工刀具與工件表面之間的接觸面積。如加大鑽頭的導程和倒錐角，以防止切屑阻塞，改善排屑效能。改進後效果明顯，鑽孔能力可提高數倍。如美國Carboloy公司把刀片製成超大正前角（+34°）加強刃，前刀面呈多條弧形溝，以減少切屑與前刀面的接觸，使切削溫度大大降低，採用常規切削速度加工時，刀具壽命可提高3～4倍。

②考慮刀具表面的最大潤滑性，防止產生積屑瘤。

③在高速乾式切削加工時，可對細顆粒硬質合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小鈍化，以刀具基體的強度來保持刃口的鋒銳性，達到降低切削溫度的目的。這樣不但可保持刀具的優良效能，還可延長刀具的最佳使用壽命。

④在高速乾式切削加工韌性材料時，斷屑槽的斷屑效能起著十分關鍵的作用。可針對不同的工件材料和切削用量，設計相應的斷屑槽結構與尺寸，提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。在封閉空間進行高速乾式切削（如干式鑽削、乾式鉸削、乾式攻絲等）時，則應增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。

五、高速乾式切削加工引數的選擇

針對高速乾式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削熱明顯增大的情況，需要重新考慮權衡和合理選用相應的切削引數，以使高速乾式切削加工過程的動態穩定性滿足加工要求。

六、高速乾式切削加工輔助技術

如前所述，高速乾式切削時切削力大、切削溫度高，尤其在對某些超硬材料進行乾式加工時難度很大，因此可以採用某些特殊加工輔助技術。如在對氮化矽（Si3N4）工件進行高速乾式切削時，由於該材料的抗拉強度極高，使用任何刀具都會很快破損，此時可採用鐳射輔助切削技術，即用鐳射束對工件切削區進行預熱，使工件材料區域性軟化（抗拉強度由750N/mm降至400N/mm），這樣可改善材料的可加工性，使切削力減小30%～70%，刀具磨損降低80%左右，切削過程中的振動也明顯減少，材料切除率大大提高，使高速乾式切削得以順利進行。

此外，還可採用液氮冷卻高速乾式切削和高速準乾式切削技術，其中，高速準乾式切削（也稱為最小量潤滑技術，MQL）是目前已投入應用的一種新型切削技術。用MQL方法進行切削加工，工件和切屑可保持乾燥、清潔，乾淨的切屑經過壓縮還可回收利用，完全不會汙染環境。該技術所需投資很少，但收效很大。據稱，目前歐洲每年約需15000臺具有最小潤滑量裝置的高速機床，而且需求量還在迅速增長。

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七、高速乾式切削加工技術的應用

高速乾式切削加工技術是一種正在不斷髮展的新興加工技術，隨著諸多技術問題（如機床、刀具、塗層、切削引數等）的不斷解決，高速乾式切削加工的應用範圍正進一步擴大。目前，高速乾式切削加工在車削、銑削加工中的應用（尤其是鑄鐵材料的高速切削）已日益普遍；在鑽削、鉸削、攻絲、拉削和滾齒等方面也有重大突破。此外，高速乾式切削加工在銑削中的應用也相當廣泛。

八、前景展望

高速乾式切削加工技術是對傳統的高速溼式切削生產方式的一種革命性變革，是一種理想的“綠色製造”工藝方法，是對傳統制造觀念和生產方式的一種挑戰，它的推廣應用將在機械製造行業引起廣泛而深遠的影響。國外對高速乾式切削加工技術的研究已相當深入，且應用範圍也比較廣泛。我國對此項技術的研究及開發還處於起步階段，與國外相比有不小差距，在實際應用中也遇到許多困難和障礙，涉及到觀念更新和技術攻關兩個方面，需要進行長期不懈的努力。但是，高速乾式切削加工代替高速溼式加工是機械製造業未來的發展趨勢，相信隨著高速乾式切削加工技術的進一步發展和不斷成熟，它必將展現出廣闊而美好的發展前景。

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